AEM：空氣中低溫原位制備穩定高效核殼結構CsPbI3鈣鈦礦太陽能電池

【引言】

? 有機-無機雜化鈣鈦礦由于其優良的半導體性能，在光伏領域顯示出巨大的潛力。然而，鈣鈦礦器件的不穩定性嚴重阻礙了其市場化進程。其中雜化鈣鈦礦中的有機部分（如甲銨、甲脒）容易與氧和水反應形成超氧化物和水合物，從而分解鈣鈦礦八面體，因此導致器件容易分解。

? 無機鈣鈦礦不存在有機部分，因此具有更好的環境穩定性。目前，CsPbI₃具有合適的帶隙（1.73 eV）被認為是高效鈣鈦礦太陽能電池的候選材料。 目前，低溫（≤100°C）可加工的p-i-n太陽能電池正變得越來越有吸引力，因為其結構能夠使其與柔性基板上的逐卷沉積兼容。因此，低溫制備穩定的CsPbI₃薄膜構建p-i-n鈣鈦礦太陽能電池勢在必行。研究人員提出了不同的方法來解決這一問題，例如聚合物模板，添加劑控制，離子摻雜，晶體調節和納米晶預合成方法。除此之外，由于強量子限制效應和大表面/體積比作用下的高表面吉布斯能，納米晶體膠體溶液中的 CsPbI₃晶體晶格具有更穩定的立方結構。然而，復雜的合成和純化過程阻礙了納米晶體直接組裝成薄膜。此外，不良配體和不穩定晶格阻礙了納米晶體器件的應用。

【研究進展】

? 近日，首爾國立大學M.Choi教授和西安交通大學吳朝新教授（共同通訊作者）在Adv. Energy Mater. 上發表了一篇題為“Rational Core–Shell Design of Open Air Low Temperature In Situ Processable CsPbI₃ Quasi-Nanocrystals for Stabilized p-i-n Solar Cells”的文章。研究者提出了一種合理的低溫可原位加工的CsPbI₃納米晶體核殼結構合計方案。一方面，FPEAI作為一種可供選擇的殼層配體提升了 CsPbI₃晶格鍵合力，并增強了相互納米晶體間的電荷耦合。另一方面，利用化合物H₂PbI₄ (PbI₂·2HI)將二價離子Mn²⁺引入核晶格，從而抑制了固有陷阱。基于此，制備出了效率高達13.4%的p-i-n結構鈣鈦礦太陽能電池，未封裝器件在空氣中500小時可以保持92%的效率。

【圖文簡介】

圖1 示意圖

a) OAI和FPEAI配體約束納米晶體之間的鍵合相互作用；

b) 基于不同PbI₂·xHI配合物(x=1,2)的二價Mn²⁺離子摻雜工藝；

c) CsPbI₃納米晶薄膜原位組裝示意圖。

圖2 表征

a ) 不同粉末材料的SEM圖；

b) 不同粉末材料的XRD；

c) TGA測試；

d) XPS譜。

圖3 對鈣鈦礦薄膜質量的調控

a) 不同調控的鈣鈦礦薄膜的SEM圖；

b) 不同調控的鈣鈦礦薄膜的XRD；

c) 不同調控的鈣鈦礦薄膜的吸收譜；

d) 不同調控的鈣鈦礦薄膜的PL譜；

e) 不同調控的鈣鈦礦薄膜的瞬態PL；

f) 不同調控的鈣鈦礦薄膜的PL穩定性測試；

g) 不同調控的鈣鈦礦薄膜的XRD穩定性測試。

圖4 器件性能表征

a) 能帶圖；

b) 器件截面SEM圖；

c) 不同調控器件的開路電壓、短路電流、填充因子和轉換效率統計圖；

d) J-V曲線及其MPP tracking；

e) Light soaking穩定性測試；

f) 環境穩定性測試。

【小結】

? 該研究開發了一種制備穩定的CsPbI₃鈣鈦礦納米晶的策略，獲得了穩定高效的全無機CsPbI₃鈣鈦礦納米晶薄膜太陽能電池器件。該研究為多用途無機鈣鈦礦納米晶體的設計提供了一個合理的視角，為制備穩定的半導體器件提供了新的可能性。

文獻鏈接：Rational Core–Shell Design of Open Air Low Temperature In Situ Processable CsPbI₃ Quasi-Nanocrystals for Stabilized p-i-n Solar Cells. 2019, Adv. Energy Mater. DOI: 10.1002/aenm.201901787

本文由金也供稿。